Afin de mieux comprendre les processus et les interactions entre l'atmosphère, la glace de mer et l'océan en arctique, un financement EQUIPEX a permis de développer et déployer le projet IAOOS (Ice-Atmosphere-Ocean-Observing-System) de réseau de bouées multi-instrumentées. Pour la partie atmosphère un LiDAR rétrodiffusion innovant a été développé pour répondre aux contraintes du projet et de l'environnement arctique. Un modèle analytique du rapport signal sur bruit en air clair a permis de préciser les paramètres clés de la conception. Des simulations numériques ont ensuite permis d'affiner les performances du système. Un prototype évolutif a été réalisé dans le planning serré de cet EQUIPEX, avant la mise en œuvre d'une première bouée complète au Pôle Nord en avril 2014, qui a fonctionné jusqu'en décembre 2014. Un second déploiement de deux bouées a ensuite été réalisé à l'occasion de la campagne N-ICE de janvier à juin 2015, dont l'une était équipée d'une version polarisée du LiDAR. Les deux campagnes ont permis d'obtenir des premières statistiques de la distribution des aérosols et des nuages en arctique central avec un système LiDAR autonome. Les premiers résultats montrent la présence de couches d'aérosols assez fréquentes au printemps dans la moyenne troposphère et des nuages bas très fréquents. Les mesures LiDAR ont été utilisées pour effectuer une estimation des flux infrarouge et visible descendants. Les résultats des deux premiers déploiements et les comparaisons avec des analyses et des sorties du modèle WRF fournissent des premiers éléments sur l'apport que pourra présenter ce réseau de bouées multi-instrumentées en région centrale arctique. / To improve our knowledge of the processes and interactions which occur in Arctic between atmosphere, sea ice and ocean, an EQUIPEX funding was granted to the IAOOS project. This improvement will be reached by deploying a network of multi-instrumented buoys. For the atmospheric analyses an innovative backscattering LiDAR meeting with constraints of the project and arctic environment has been developed. An analytical model of signal to noise ratio in clear sky led to the instrumental key parameters, and numerical simulations helped in improving the system performances. An evolutive prototype has been realized within the tight planning of this EQUIPEX. The first whole equiped buoy was deployed close to the north pole in April 2014 and worked until the beginning of December 2014. A second deployment of two buoys, including a polarized version, was then realized within the N-ICE campaign from January to June 2015. These first campaigns gave first statistics of aerosols and clouds distribution in the central arctic region with an autonomous LiDAR. First results show frequent aerosols layers in mid-troposphere during spring, as well as a high occurence of very low clouds. LiDAR measurements were also used to estimate downwelling longwave and shortwave at surface. Results obtained from these first deployments and comparisons with analysis and outputs from the WRF model show a first overview of what can be expected from this network of multi-instrumented buoys in the central arctic region.

Le laboratoire TELE a développé une méthode d'évaluation des paramètres qui déterminent l'état de la surface de la mer, à partir de mesures effectuées à distance par une combinaison d'instruments hyperfréquences embarqués à bord de satellites. La résolution de ce problème nécessite de construire un modèle statistique de la surface de la mer comme fonction d'un nombre limité de paramètres pertinents, de développer le modèle de diffusion des ondes électromagnétiques par la mer rugueuse, de simuler, pour un ensemble donné d'états de mer, les mesures attendues des satellites et de mettre au point la méthode de calcul des paramètres descriptifs de l'état de la mer à partir des mesures des satellites (inversion). L'objectif de cette thèse est d'analyser, de développer et d'implémenter la modélisation statistique de la surface de la mer et de valider ce modèle, appelé UCL-3, à partir des données réelles. Notre recherche a permis de déterminer les quatre paramètres pertinents qui décrivent l'état de la mer. La structure des petites vagues résulte de la réaction instantanée de la surface au vent local et peut être décrite à l'aide de ce seul paramètre. Par contre, la structure des grandes vagues contient l'histoire de la vague ; c'est pourquoi, nous avons proposé de la décrire non seulement en fonction de la vitesse du vent mais aussi de la pente significative des vagues, de la distance d'action au vent et du nombre d'onde au pic du spectre des déplacements de la surface. La qualité de ce modèle a été confrontée avec des données de terrain, en particulier celles de la bouée BEATRICE (située au large de l'île d'Ouessant, France). Ensuite, le modèle a été validé à l'aide de données mesurées par des satellites. Nous avons porté une attention particulière à la mission TANDEM, qui combine en synergie des données provenant de divers senseurs à bord des satellites ERS-1 et ERS-2. Le modèle UCL-3 réduit la quantité des données pour lesquelles la procédure des précédentes recherches ne fonctionnait pas. Enfin, les grandeurs géophysiques obtenues ont été comparées avec des mesures simultanées « in situ » de bouées NOAA situées dans l'Océan Atlantique, l'Océan Pacifique Nord et le Golfe d'Alaska. Cette comparaison satellite – bouée montre que les résultats obtenus par l'inversion des mesures radars concordent avec ceux mesurés « in situ » par des bouées. / The Telecommunications and Remote Sensing Laboratory of UCL has developed a method to retrieve the sea surface state parameters, from remote sensing measurements collected by a combination of microwave satellite payloads. This approach has required to construct a rough sea surface statistical model (wave displacement spectrum, long wave slope probability density function, ... ) as a function of a limited number of relevant sea state parameters, to develop an electromagnetic scattering model suitable for the rough sea surface model, to simulate radar and radiometric measurements for a given set of sea states and to develop a computational inversion method to retrieve the sea state parameters from satellite data. The objective of this thesis has been to analyze, develop and implement the statistical modeling of the rough sea surface and to validate this model (called UCL-3) on real data. In this research, four parameters have been chosen as the minimum set required to provide a suitable enough description of the sea state for microwave remote sensing purposes. The small wave structure of the rough sea depends on the instantaneous local wind speed, therefore it may be described by this parameter only. On the other hand, the large sea wave structure which contains the wave history needs more degrees of freedom; therefore, we propose to describe these waves not only as a function of the wind speed but also of the wave significant slope, of the fetch and of the wavenumber at the peak of the surface displacement spectrum. With respect to previous researches made at UCL we have introduced an additional peak enhancement in the large sea wave spectrum. The quality of the resulting sea surface model has been confronted with “ground truth data” in particular those from the BEATRICE buoy (located near Ouessant Island, West of France). In a second step, the surface model, along with the electromagnetic scattering one, has then been validated on satellite data. In this thesis a particular attention has been paid to the TANDEM mission synergistically combining data from different sensors borne on two different satellites ERS1 and ERS2. The obtained geophysical retrievals have been compared with simultaneous "in situ" buoy measurements from a set of NOAA buoys located in the Atlantic Ocean, the Pacific Ocean and the Gulf of Alaska. This comparison allowed us to improve models previously derived at UCL and to reduce the percentage of retrieval failures i.e. the amounts of data points for which the retrieval procedure in the previous researches was failing. These sea surface results from inverted radar data agree with those derived from buoy data.

Les formulations et modèles de vagues stochastiques sont les outils les plus traditionnels pour l’évaluation et la prévision des états de mer. Cependant, la prise en compte de nombreux processus physiques essentiels à l’évolution des vagues reste souvent lacunaire dans ces types d’approches. Une des raisons possible est notamment que peu d’observations viennent documenter ces processus. La dissipation des ondes est ainsi mal quantifiée par les méthodes d'observation traditionnelles dans tout l’éventail des conditions océaniques. Dans ce contexte, le travail présenté dans cette thèse explore plus avant les conditions menant au déferlement à travers la modulation de l'énergie des ondes courtes par de fort courants de marée et par des ondes plus longues.Dans cette étude, nous avons profité des campagnes de mesure BBWAVES, spécialement conçues pour acquérir de la donnée dans des zones d’interactions vagues courants.Ces campagnes ont notamment permis de tester une nouvelle bouée dérivante conçue pour la mesure des vagues dans des zones à forts courants de marées. Grâce à des mesures simultanées en zones de forts courants, il a été possible de mettre en évidence des lacunes dans la modélisation des états de mer, et l’influence vraisemblable des erreurs dans la modélisation atmosphérique pour ces conditions. Cette thèse a également tiré parti d’une campagne de mesure stéréo-vidéo d’états de mer en Mer Noire afin d’étudier différents aspects du déferlement des vagues dans une grande variété de conditions d'état de mer bimodales. Ces mesures ont permis de mettre en évidence une modulation des ondes courtes par des longues et une incidence sur les propriétés de déferlement. / Stochastic wave formulations and models are the most common tools for the assessment and forecast of sea surface conditions. Their ability to account for some of the processes encountered by waves during their evolution remains however a central question. Among other processes, the wave dissipation is for instance still poorly quantified and traditional methods for wave measurements fail to proper insight into its physics in a wide range of conditions. In this context, the work presented in this PhD aims to explore available observation techniques for their application to several quantitative aspects of the dissipation of wave energy, and particularly for short wave modulated by strong tidal currents, for short wave modulated by longer waves. This work takes advantage of the BBWAVES oceanic campaigns, especially planned to explore questions related to wave and current interactions. Data from a large variety of sensors are analyzed. The campaign provides the ground for the test of a new design of drifting buoy aimed at measuring waves in areas of strong tidal current. Its performances are verified and the description it provides of the area is explored. From simultaneous measurements, it was possible to highlight the actual inaccuracies in wave model capabilities as well as the contribution of the error contained in the atmospheric modeling over strong tidal currents to the misevaluation of sea states. This work also used an extensive dataset from a stereo video experiment in the Black Sea to investigate wave breaking in bimodal sea state conditions. These measurements have revealed the influence of long wave modulation over short wave breaking.

On admet que l'océan absorbe environ 30% de l'excès de dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique d'origine anthropique. Une évaluation plus précise de ce pourcentage est actuellement très difficile. Des prévisions sont tentées à travers des modèles, mais la modélisation des échanges air-mer se heurte encore à de nombreuses inconnues: répartition des pressions partielles de CO2 dans les océans, vitesse d'échange, rôle de la production biologique...Il y a un besoin urgent de données pour valider les modèles et pour résoudre les différentes échelles spatio-temporelles des variabilités de CO2 liées à des processus physiques et biologiques. L'exemple de la Méditerranée offre un cadre favorable pour une telle démarche, car elle réunit sur une zone relativement peu étendue un échantillonnage assez complet de la diversité des processus qui interviennent dans le cycle du carbone à l'échelle globale. Nous avons abordé cette étude en un point fixe du bassin Liguro-Provençal dans le cadre du programme JGOFS "Dyfamed". Les mesures mensuelles de pCO2 faites en surface pendant deux années, mettent en évidence la très grande variabilité spatio-temporelle de pCO2 aussi bien à l'échelle d'une heure qu'à l'échelle de quelques jours. Malgré cette variabilité, les mesures mensuelles ont permis d'observer un cycle bien défini de pCO2 dans les eaux de surface, d'une amplitude de l'ordre de 120 µatm. L'analyse des processus responsables des variations saisonnières du cycle de pCO2 au site Dyfamed permet de mettre en place des relations saisonnières empiriques entre la distribution de pCO2 et celles d'autres paramètres, dans le but d'extrapoler à une autre région les résultats obtenus au site Dyfamed à l'aide de paramètres plus couramment mesurés ou que l'on peut obtenir à partir de mesures satellitales. A partir de l'analyse de la distribution superficielle de pCO2 à une plus large étendue de la Méditerranée, il est apparu impossible d'établir une relation unique traduisant les variations spatio-temporelles de pCO2, et qui permettrait ainsi de prédire la répartition de pCO2 à l'échelle de la Méditerranée. La principale limite actuelle réside dans le fait qu'il faudrait avoir des mesures de pCO2 à plusieurs saisons et si possible dans tous les bassins.